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Q & A

專家視角

DR. YE

葉又 博士
 

泛亞汽車技術(shù)中心

金屬材料及緊固件高級(jí)技術(shù)經(jīng)理

我想從源頭 - 主機(jī)廠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)談起，畢竟主機(jī)廠的想法和決定對(duì)這個(gè)行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。對(duì)于大型一體化鑄件，現(xiàn)在各類專業(yè)的非專業(yè)的介紹已經(jīng)非常多，大多談的是優(yōu)勢(shì)，如輕量化、集成化、產(chǎn)業(yè)鏈精簡、開發(fā)高效等，我這里就不想多談。主要談幾個(gè)問題和我的思考。

第一點(diǎn)，大鑄件力學(xué)性能早期獲取問題。現(xiàn)在從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到量產(chǎn)時(shí)間越來越短，前期設(shè)計(jì)評(píng)審越來越依賴CAE仿真，大家知道材料參數(shù)的準(zhǔn)確對(duì)各類仿真分析的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，我們目前車身結(jié)構(gòu)件使用的絕大多數(shù)金屬材料，如鋼板、鋁板、型材、鍛件都是事先通過試板級(jí)別的實(shí)驗(yàn)測(cè)得各類性能數(shù)據(jù)，用于零部件整車CAE仿真，具有極高的置信度。但這種做法對(duì)大型壓鑄件是行不通的，目前可能的做法就是放大設(shè)計(jì)冗余，加大安全系數(shù)。有什么更好的解決方法嗎？我認(rèn)為，目前計(jì)算材料科學(xué)已經(jīng)建立了成分-工藝-組織-性能的定量關(guān)系，并可以計(jì)算出理想條件下鑄件的部分力學(xué)性能。那么結(jié)合我們現(xiàn)在的鑄造仿真分析軟件，是否可以在模擬凝固冷卻后的組織及缺陷，如晶粒大小、枝晶、成份分布、夾雜、偏析、氣孔、縮松等基礎(chǔ)上，計(jì)算出鑄件的各類力學(xué)性能呢？用以支持我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CAE仿真分析。當(dāng)然，這方面工作也需要材料、模具、壓鑄工藝的早期介入，但核心還是需要軟件能開發(fā)出這樣的計(jì)算功能，并具有足夠的精度。

第二點(diǎn)，大鑄件成本問題。就單件成本來講，目前大型一體化鑄件不具備成本優(yōu)勢(shì)。以中型車后地板為例，大鑄件重70KG，以每公斤55元價(jià)格計(jì)算，單件成本約3850元，而同樣部位設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)鋼板沖壓加焊裝，重約100KG，加上各類焊接連接費(fèi)用，單件總成約2000元。若再考慮模具壽命以及合格率等的差距，則單件價(jià)差將更大。但是我對(duì)大鑄件價(jià)格降低還是有信心的，一方面，壓鑄結(jié)構(gòu)件的價(jià)格最近幾年開始有了大幅度的下降，隨著大量投資的進(jìn)入，競(jìng)爭加劇，未來應(yīng)該還能有一定降本空間。另一方面，從零件功能角度，大鑄件許多部位是不需要2-3mm厚度的，期望隨著材料鑄造性能、壓鑄裝備、工藝水平的提升，壁厚能不能做得更薄，這方面降本的想象空間更大。

第三點(diǎn)，大鑄件售后維修問題。前段時(shí)間有媒體報(bào)道m(xù)odelY倒車碰撞損壞大鑄件，更換費(fèi)用超過二十萬，引發(fā)了大眾對(duì)大鑄件售后的擔(dān)憂。我想特斯拉選擇后地板作為大鑄件切入點(diǎn)，售后維修問題應(yīng)該算是一個(gè)考量點(diǎn)，畢竟后端維修特別是大修的幾率相對(duì)要小很多。但如果真的局部損壞要維修了，相比整體更換是不是有更好的解決辦法呢？目前鋁合金3D打印技術(shù)日趨成熟，不少產(chǎn)品的強(qiáng)度延伸率已經(jīng)達(dá)到甚至超過現(xiàn)在的壓鑄產(chǎn)品，結(jié)合合適的焊接方法，如CMT冷金屬過渡焊接技術(shù)等等，焊接熱輸入較小，可以較好地避免對(duì)原鑄件組織性能的影響，可能是一種比較經(jīng)濟(jì)可靠的解決方法，值得深入研究。

首先需要指出的是，我們不要去神話這個(gè)產(chǎn)品。一體化鑄件僅僅是車身零部件眾多設(shè)計(jì)方案中的一種，也并沒有給客戶帶來新的功能提升，它最大的優(yōu)勢(shì)可能在于產(chǎn)品開發(fā)周期的縮短和產(chǎn)業(yè)鏈的縮短，高科技的光環(huán)。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，鑄造工藝幾乎可以實(shí)現(xiàn)任意形狀特征的設(shè)計(jì)，這也使零部件一體化集成化成為可能，這也是現(xiàn)有能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)量產(chǎn)規(guī)模的其他制造工藝所不具備的。大家注意，優(yōu)勢(shì)這里我并沒有強(qiáng)調(diào)輕量化，因?yàn)閺膶I(yè)角度講，鑄鋁的重量效率并不高，鋁板拼接設(shè)計(jì)會(huì)更輕。

劣勢(shì)方面，除了前面提到的成本，維修等問題，我想從設(shè)計(jì)與制造兩方面再補(bǔ)充談?wù)?。?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度，多片拼接的設(shè)計(jì)，可選擇的材料眾多，強(qiáng)度從200-2000MPA，厚度從0.5mm-3mm，有豐富的設(shè)計(jì)優(yōu)化空間，以實(shí)現(xiàn)重量、成本、性能平衡最優(yōu)，這方面一體化壓鑄件顯然是無法做到的。還有個(gè)顯而易見的問題就是相比多件金屬拼接的設(shè)計(jì)，大鑄件的設(shè)計(jì)變更成本會(huì)很高，這個(gè)雖然會(huì)隨著CAE仿真能力的提升而有所緩解，設(shè)計(jì)變更成本更高是肯定的。

從產(chǎn)品制造角度講，壓鑄過程也要比傳統(tǒng)沖壓復(fù)雜難得多，這個(gè)問題可以這么來理解，沖壓過程變化的主要是形狀，從平板到零件，性能基本是不變的。而壓鑄過程變的不僅是形狀，組織和性能也發(fā)生了質(zhì)的變化，并且主要是發(fā)生在幾秒凝固冷卻時(shí)間內(nèi)，這種極短時(shí)間內(nèi)微觀組織的變化，讓我們這些以宏觀尺度來解決問題的工程師感到非常痛苦，好比我們今天對(duì)付這個(gè)病毒，我們能上天入地，能建三峽大壩，但小小的微生物卻讓我們頭疼萬分。

壓鑄車身結(jié)構(gòu)件成熟應(yīng)用已超過二十年，國內(nèi)大量使用也已近十年，典型車型如凱迪拉克CT6，目前普遍采用的是真空壓鑄+熱處理工藝，性能基本可以達(dá)到屈服120MPA，抗拉200MPA，延伸率10%以上（鑄件本體取樣）。由于大型一體化鑄件熱處理變形問題，免熱處理材料可能是目前一種比較好的解決方案。

首先我們需要理解為什么過去壓鑄結(jié)構(gòu)件一直在使用熱處理工藝，熱處理工藝到底能給我們帶來什么好處？熱處理過程除了可以優(yōu)化材料性能，還可以改善壓鑄非平衡凝固過程引起的內(nèi)應(yīng)力、組織及成分分布的不均勻，前者大家都明白，后者往往被忽視。實(shí)際上，十幾年前商業(yè)化的免熱處理材料就出現(xiàn)了，但并沒有得到很好的認(rèn)可使用。考慮到流動(dòng)性等工藝性能的要求，現(xiàn)在主流的免熱處理材料都是在傳統(tǒng)Al-Si系合金基礎(chǔ)上通過添加合適的化學(xué)變質(zhì)元素，并結(jié)合實(shí)際壓鑄的凝固條件，形成細(xì)小晶粒和充分彌散的細(xì)化組織，獲得以前傳統(tǒng)固溶時(shí)效強(qiáng)化才能獲得的力學(xué)性能。

我之所以在這里講這些，主要是提醒大家，由于免去了熱處理工藝，為了獲得鑄態(tài)下理想的組織和性能，就需要非常小心的材料成分設(shè)計(jì)及壓鑄工藝控制，零件性能對(duì)材料成分波動(dòng)很敏感，對(duì)壓鑄工藝波動(dòng)也很敏感，尤其是延伸率，而延伸率大小又直接關(guān)系到車身碰撞性能以及連接工藝。所以從工業(yè)量產(chǎn)角度講還是有很多工作要做的。需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、模具、鑄造工藝、鑄件生產(chǎn)、壓鑄機(jī)等相關(guān)各方的密切配合，相互補(bǔ)位，并充分利用好仿真軟件的作用。 

DR. YE

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